avero: Das modulare Arbeitsplatzsystem mit ESD-Schutz

avero: Das modulare Arbeitsplatzsystem mit ESD-Schutz

ESD ist die Abkürzung für Electrostatic Discharge, die elektrostatische Entladung. In der modernen Elektronik-Fertigung sind ESD-Arbeitsplätze unverzichtbar, um unsichtbare Beschädigungen im Inneren der Bauteile zu verhindern. Aber auch bei der Herstellung von Produkten, die explosive Bestandteile enthalten, geht es nicht ohne ESD-Schutz. Beispielsweise bei der Herstellung von speziellen Batterien oder Munition. Bestimmte, leicht entzündliche oder explosive Flüssigkeiten und Stäube erfordern zwingend den Schutz vor elektrostatischer Entladung am Arbeitsplatz.

An einem avero Arbeitsplatzsystem von bott sind die einzelnen Komponenten leitfähig beschichtet und untereinander leitfähig verbunden. Alle ESD-Produkte von bott entsprechen der Norm IEC 61340-5-1. bott ist einer der wenigen Anbieter mit einem sehr umfangreichen und allumfassenden Sortiment im ESD-Bereich. Die einzelnen Bauteile im avero Baukasten sind größtenteils von vornherein „ESD-ready“. Damit es zu keinen Verwechslungen im Sortiment kommt, sind die Oberflächen grundsätzlich alle mit leitfähigen Lacken versehen.

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Elektrisches Feld – Ladung, Feldstärke, Elektrostatik

Das elektrische Feld ist ein all­ge­gen­wärtiges Phänomen. Es erklärt bei­spiels­weise die Über­tragung elektrischer Energie und die Funktion elektronischer Schal­tungen. Seine Kombi­nation mit dem Magnetismus, das elektromagnetische Feld, ist grundlegend für die Ausbreitung von Licht- und Funkwellen, beispielsweise bei der drahtlosen Kommunikation im Alltag.

Eine elektrostatische Aufladung entsteht durch Trennung der Ladung zweier Materialien, wobei mindestens ein Material ein schlechter elektrischer Leiter sein muss.

Dadurch entsteht zwischen diesen beiden Materialien eine Potenzialdifferenz – ein elektrostatisches Feld.

Elektrostatik bezieht sich immer auf ortsfeste Ladungen einer isolierenden Oberfläche. Diese Ladungen werden bei einer Verminderung der isolierenden Eigenschaften abgeleitet oder durch Ionisierung neutralisiert. Die Stärke des elektrischen Felds wird durch die Kraft ausgedrückt, die auf eine Ladung in diesem Feld wirkt.

Der Entladungspuls

Der Entladungspuls

Sobald die an einen festen Ort gebundene, statische Ladung mit der Erde verbunden wird, wird das davon ausgehende elektrische Feld schlagartig ausgeglichen. Die Größenordnung dieser Ausgleichsströme kann dabei sehr groß sein. Die Entladung eines Leiters gegen Masse bewirkt einen extrem kurzen Puls mit sehr hoher Stromdichte. In elektronischen Bauteilen und Chips hat man zwar integrierte Schutzschaltungen eingeführt, jedoch werden die Strukturbreiten immer kleiner. Daher kann man die Gefährdung nur unwesentlich reduzieren.

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Risiken und Nebenwirkungen der Elektrostatik

Elektrostatik - Gefährdungs­mecha­nis­men

Die Risiken für eine Beschädigung von Halb­leiter­bau­elemen­ten durch sta­tische Elek­tri­zi­tät ent­stehen auf zwei Arten: Zum einen bei der Ent­ladung sta­tischer Elek­tri­zi­tät. Zum Bei­spiel bei einer Be­rührung eines empfind­lichen Bau­teils mit der Hand. Diese Ent­ladung zer­schmilzt oder ver­dampft die sehr feinen Bahnen auf den inte­grier­ten Schal­tungen. Haupt­kri­terium hierfür ist die Ent­la­dezeit be­ziehungs­weise die Änderungs­ge­schwin­dig­keit der Feld­stärke (Ent­la­dungs­puls). Zum anderen können elek­trische Felder Durch­brüche an den Iso­la­tionen verursachen. Auf diese Weise werden die Struk­turen zwischen den inte­grierten Schal­tungen zer­stört. Das Haupt­kriterium hierfür ist die Feld­stärke.

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Elektrostatik - Gefähr­dungs­schwellen

Die besondere Gefahr bei elek­tro­sta­tischen Er­eig­nissen be­steht darin, dass die meisten Ent­la­dungen für den Men­schen über­haupt nicht spür­bar sind. Der Mensch nimmt eine elek­tro­sta­tische Ent­ladung erst ab einer sehr hohen Spannung wahr. Die Empfind­lichkeits­schwelle liegt bei 3.000 Volt. Be­schädigt oder zer­stört werden können aktuelle inte­grierte Schalt­kreise (ICs – Integrated Circuits) bereits im Be­reich zwischen 30 und 100 Volt.
Ein be­kanntes Phä­nomen im All­tag ist das Gehen über Teppich­boden. Die hier­bei ent­stehende Spannung beträgt etwa 35.000 Volt (bei der Annahme einer Luft­feuchtig­keit um 10%). Beim Ab­ziehen eines Strei­fens Tesa-Film ent­stehen 32.000 Volt. Bei der Ent­nahme von ICs aus einer Styro­por­ver­packung beträgt die Spannung 14.500 Volt, beim Ent­fernen der Luft­polster-Ver­packungs­folien an Platinen werden 26.000 Volt erreicht. Diese Bei­spiele für Poten­zial­differenzen machen deutlich, wie brisant das Thema ESD bei der Fer­tigung von elek­tro­nischen Ge­räten ist.

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Elektrostatik - Mögliche Schäden am Bauteil

Eine elektrostatische Entladung kann zu einem Totalausfall des Bauteils führen. Dieser Schaden ist jedoch noch recht einfach zu erkennen und bei einer Kontrolle auszusortieren. Ein nur teilweise oder leicht vorgeschädigtes Bauteil hingegen ist zumeist bei einer Funktionskontrolle nicht sofort zu erkennen. Dieses kann aber erhebliche Folgekosten verursachen. Die verursachte Kundenunzufriedenheit und der Imageverlust sind nur langfristig mit viel Aufwand zu beheben.

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Technische Hintergründe

1975 wurde die deutsche Industrienorm DIN 51953 verfasst. Ursprünglich schuf man sie mit dem Ziel, das Verfahren, die Werte und die Bedingungen zur Prüfung leitfähiger Fußböden festzulegen. 1980 wurden erste Werksnormen für die Anforderungen an eine ESD-Schutzzone festgelegt. Beispielsweise bei Siemens hat man die innerbetriebliche Norm SFR F12 eingeführt. 1992 kam auf europäischer Ebene die EN 100 015 / 1 hinzu. 1998 legte die Norm IEC 61340-5-1 im Beiblatt 1 des Benutzerhandbuchs Verfahren und Werte fest, IEC 61340-4-1 die Elektrode.

Elektrostatische Entladungen sind der Menschheit zwar schon seit sehr langer Zeit bekannt. Allerdings hatten sie zumeist sehr wenig Einfluss auf unseren Alltag, abgesehen von ein paar wenigen Unglücklichen, die vom Blitz getroffen wurden. Diese Norm legt fest, wie ein geschützter Bereich zu entwerfen, zu nutzen und zu überprüfen ist. Sie stellt sicher, dass elektrostatisch empfindliche Bauelemente mit minimalem Risiko einer Beschädigung gehandhabt werden können.

Die ESD-Protected Area, kurz EPA oder auch ESD-Schutzzone, kann in ganz unterschiedlichen Größenordnungen vorhanden sein. Sowohl einzelne Arbeitsplätze als auch ganze Arbeitsbereiche mit mehreren Arbeitsplätzen. Auch Lagerbereiche oder ganze Hallen können in ESD-Ausführung bereitgestellt werden.

Der ESD-Arbeitsplatz darf sich selbst nicht aufladen, sodass er keinerlei elektrostatische Felder erzeugen kann. Er muss durch die Leitfähigkeit seiner Oberflächen und die Erdung die bei der Fertigung aufgebrachten Ladungen kontrolliert ableiten.

Ganz unterschiedliche Gegenstände werden von der IEC 61340-5-1 für den Gebrauch in einer EPA klassifiziert. Hierzu gehören zum Beispiel die leitfähigen Oberflächen am Arbeitsplatz (Ablageböden, Schwenkarme, Schubladen, ein durchgehend leitfähig verbundenes Metallgestell), Lagerregale, Fußböden, Sitzplätze, Kleidung, Handgelenkbänder zur Erdung, Roll- und Handwagen, Verpackungen und Transportbehälter.

Der avero Tischplattenbelag besteht aus robusten, kratzfesten Hart-Laminaten. Die Trägerplatte aus einer durchgehend leitfähigen Spanplatte. Verbunden sind die Materialien mit einem leitfähigen Kleber. Die Erdung der Tischplatte erfolgt über leitfähige Spanplatten-Schrauben am Tischgestell. Das Tischgestell fertigt bott aus Stahl oder Aluminium mit einer leitfähigen Pulverbeschichtung. Auf diese Weise entsteht eine durchgehend leitfähige Verbindung. Die Kontaktscheiben an Schraubverbindungen stellen sicher, dass Ströme ohne Unterbrechung fließen können. Der Anschluss an die Erde erfolgt über den zentralen Erdungspunkt oder einen Metall-Fußteller.

Bei der Inbetriebnahme eines ESD Arbeitsplatzes führt bott eine Messung der ableitenden Eigenschaften aus. Im Allgemeinen besteht eine sehr gute Korrelation zwischen dem Abbau der Ladung und dem Widerstand. Da die Messung des Widerstands einfacher, zuverlässiger und günstiger ist, bevorzugt bott diese Methode. Auf diese Weise erhält man eine zuverlässige Aussage über die Leitfähigkeit und damit die Wirksamkeit und Eignung des Arbeitsplatzes.

Zur Beurteilung der Materialeigenschaften führt man eine Messung des Oberflächenwiderstands (Punkt-zu-Punkt-Widerstand) mit einer Ringelektrode oder ersatzweise mit zwei genormten Zylinderelektroden durch. Zur Beurteilung eines kompletten ESD-Systems misst man den Erdableitwiderstand mit einer genormten Zylinderelektrode.

Case Study: ESD auf ganzer Linie

Das Arbeitsplatzsystem avero im Einsatz bei Dallmeier electronics. Laden Sie die Case Study herunter und erfahren mehr über das Projekt!

Case Study ESD avero bei Dallmeier (PDF, 438,2 kB)

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